EXERCICE II : LE TELEPHONE "POT DE YAOURT" (5 points)

Transcription

1 USA 2005 EXERCICE II : LE TELEPHONE "POT DE YAOURT" (5 points) A l'ère du téléphone portable, il est encore possible de couniquer avec un systèe bien plus archaïque L'onde sonore produite par le preier interlocuteur fait vibrer le fond du pot de yaourt, le ouveent de va et vient de celui-ci, iperceptible à l'œil, crée une perturbation qui se propage le long du fil. Cette perturbation fait vibrer le fond du second pot de yaourt et l'énergie véhiculée par le fil peut être ainsi restituée sous la fore d'une onde sonore perceptible par un second protagoniste. Données: célérité du son dans l'air à 25 C v air = 340.s 1 A A PROPOS DES ONDES 1. Identifier la chaîne des différents ilieux de propagation des ondes écaniques au sein du dispositif: de la bouche de la personne qui parle, à l'oreille de la personne qui écoute (figure1). Ce fil légèreent élastique peut être odélisé par un ressort à spires non jointives. Les schéas suivants illustrent les conséquences de deux odes de déforation d'un ressort: l'écarteent d'une extréité du ressort selon une direction perpendiculaire à l'axe de celui-ci produit une onde de cisailleent (figure 2), alors qu'une déforation selon l'axe du ressort produit une onde de copression (figure 3). 2. Attribuer, à chacune des situations représentées sur les figures 2 et 3, les teres d'onde longitudinale et d'onde transversale. Justifier votre réponse. Seul le second ode de déforation (figure 3) correspond au phénoène observé sur le fil du dispositif étudié par la suite.

2 B CELERITE DE L'ONDE QUI SE PROPAGE LE LONG DU FIL A 25 C, on réalise le ontage suivant (figure 4), afin de esurer la célérité des ondes sur le fil du dispositif. Deux capteurs, reliés en deux points A et B distants de D = 20 sur le fil, du pot de yaourt éetteur E. Les capteurs enregistrent l'aplitude de cette perturbation au cours du teps. Oh! E A D B Figure 4 R Voie 1 Voie 2 1. A partir de l'enregistreent (figure 5), déteriner avec quel retard t, par rapport au point A, le point B est atteint par le signal. Figure 5 Sensibilité verticale 1 V / div Sensibilité horizontale 5 s / div 2. Donner l'expression de la célérité v de l'onde sur ce fil en fonction de D et t. Calculer sa valeur. Coparer cette valeur à celle de la célérité du son dans l'air à 25 C. Quelle propriété justifie ce résultat? Le fil ER de longueur L = 50 est assiilé à un ressort de constante de raideur k = 20 kg.s 2 et de asse linéique µ = 1, kg. 1. Dans le cas d'un fil, le produit k.l est une constante caractéristique du ilieu de propagation.

3 3. Un odèle siple de la célérité v d'une onde de ce type dans ce fil correspond à l'une des expressions suivantes: k.l k.l (1) v = (2) v = (3) v = k.l Retrouver la bonne expression pari celle proposées en effectuant une analyse diensionnelle. 4. Calculer la célérité de l'onde sur le fil ER. Une autre éthode, perettant de déteriner la célérité v de l'onde se propageant dans le fil, consiste à placer, devant le pot de yaourt éetteur, un haut parleur (figure 6) qui éet des ondes sonores sinusoïdales de fréquence f E. Les ondes sinusoïdales qui se propagent dans le fil ont la êe fréquence. E A D B Figure 6 R Vers G.B.F. Signal sinusoïdal Voie 1 Voie 2 Lorsque la distance D est égale à 20,0, on obtient l'enregistreent de la figure 7. Figure 7 Sensibilité verticale 1 V / div pour les deux voies Sensibilité horizontale 1 s / div

4 5. Coent peut-on expliquer que l'aplitude du signal au point B (voie 2) soit plus faible que l'aplitude du signal au point A (voie 1)? 6. A partir de l'enregistreent de la figure 7, déteriner la fréquence de l'onde qui se propage dans le fil. 7. Lorsque l'on éloigne le point B, du point A, on constate que les signaux se retrouvent dans la êe configuration pour les valeurs de la distance: D = 25,0, D = 30,0, D = 35,0 a) En déduire la valeur de la longueur d'onde l associée à l'onde qui se propage dans le fil, puis la célérité v de cette onde. b) Sur la figure de l'annexe à rendre avec la copie, représenter l'allure de la courbe que l'on observerait sur la voie 2 si la distance D était égale à 27,5. 8. La voix est un signal coplexe constitué d'ondes sonores de fréquences différentes. A l'écoute des signaux transis, le fil ne seble pas être un ilieu de propagation notableent dispersif. Qu'est-ce qu'un ilieu dispersif? Quelle serait la conséquence sur les signaux reçus si le fil qui constitue le dispositif était un ilieu de propagation très dispersif? L'antenne d'un téléphone portable, éet ou reçoit des ondes électroagnétiques qui ont les êes propriétés que la luière. 9. Quelle différence fondaentale existe-t-il concernant la propagation des ondes du téléphone "pot de yaourt" et celles d'un téléphone portable?

5 EXERCICE II: ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE Sensibilité verticale 1 V / div pour les deux voies Sensibilité horizontale 1 s / div